基于小波包分析的配电网故障选线新判据

基于小波包分析的配电网故障选线新判据

0基于暂态高频零序瞬时功率的配电网故障选线新判据中国的输电网通常采用中性点不接地（nus）、中性点高阻接地（nms）或中性点消弧圈接地（nes），统称为小电流接地系统。由于小电流接地系统单相接地时故障电流为线路对地电容电流,数值非常小,这一小电流又叠加在数值较大的负荷电流上,很难准确检出;同时,现场电磁干扰相对很大,使得检测出的故障信号中信噪比非常低;而故障状况受电网参数、故障时刻等多种因素的影响,形式多变,造成了小电流接地电网选线的困难。现有的故障选线方法,大体分为基于稳态电气量法和基于暂态电气量法[3~5]两类。对于小电流接地系统,故障线路的序电流较小,采用稳态电气量很难确定其幅值的定值,从而降低了选线的可靠性;对于中性点经消弧线圈接地的配电网系统,基频相位关系不再有效,通过比较各馈线故障信号中基波与母线零序PT测量电压对应分量的相位关系来选择故障线路可靠性仍得不到保证。本文针对现有选线方法的不足,将小波包分析用于配电网故障选线中,提出了一种基于暂态高频零序瞬时功率的配电网故障选线新判据,以提高故障选线的可靠性与正确率。仿真表明该选线方法对接地阻抗、故障距离、短线远端接地等故障均能准确判断,且不受中性点接地方式、故障接地时刻等因素的影响,具有良好的通用性。1小波包基分析小波分析是一种用于分析暂态信号的优秀的时频分析工具,它能够把任何信号投影到一个由小波伸缩而成的基函数(即小波基)上,可以清晰地表示故障状态信号在某频段的时域特征,为故障选线进行深层信息处理提供条件。设为一小波基函数,则信号x(t)的连续小波变换的定义为:其离散表达式为:小波分解过程只分解信号的低频部分。小波包分析弥补了小波分析只分解信号低频部分而对高频部分不再进行分解这一不足,可以根据信号特性和要求在一定频域内任意选择分辨率。小波包是建立在小波变换的基础上的。其定义为:选择已知的正交尺度函数ϕ(x)及对应的小波基(即共轭滤波器系数){kh}和{gk},有双尺度方程如下:记μ0=ϕ(x),μ1=ψ(x),则由下面的递推关系定义μn。2容性无功率方向一个简单的小电流接地系统模型如图1所示。设线路L1上发生A相单相接地故障,网内电容电流分布发生变化如图1中箭头所示。其零序等效网络图由各条线路的电阻、电感和对地电容等元件组成,如图2所示。由图2可知,在非故障线路上的零序电流,其数值等于本身的对地电容电流,幅值较小,容性无功功率方向为从母线流向线路。对于中性点不接地系统(图2中不包含IL支路),故障线路零序电流(即保护测量的零序电流)为系统所有非故障线路对地电容电流之和,数值较大,容性无功功率的方向为由故障线路流向母线;而对于中性点经消弧线圈接地系统(图2中包含IL支路),由于补偿电流的存在,使得故障线路始端的零序电流中增加了一个感性电流分量,流经线路始端的总零序电流减小,且在过补偿方式下,基频零序电流将反向,使得故障线路始端的容性无功功率的方向改变,变为从母线流向线路。当线路发生单相接地故障的瞬间,由于线路分布电感和分布电容的存在,会产生短暂的电容充放电电流。对于故障相,由于相电压突然降低,引起故障相对地电容放电且放电电流频率比较高;而非故障相由于相电压升高,会产生充电电流,充电电流主要由电源电感提供,故其充电电流频率较低。因此故障瞬间的暂态信号中含有多种频率成分,导致暂态量比稳态量大很多倍。3故障选线逻辑从以上对配电网单相接地故障特征的分析可知,在接地瞬间,故障信号的暂态高频分量中含有丰富的故障信息,且暂态分量的幅值比稳态量要大得多。鉴于小波包分析可以进行高频段的多分辨分析,因此以小波包分析为工具,对暂态高频分量进行多尺度分解,通过比较故障线路与非故障线路的相关特征选择故障线路。单相接地故障发生后的暂态过程中,对于非母线故障,故障线路高频瞬时功率与非故障线路高频瞬时功率时刻反向,大小为所有非故障线路(包括变压器出线端)瞬时功率大小的和。据此给出如下故障选线主判据(式1)与副判据(式2)。其中:i=1,2,…,L为线路编号,L为线路总条数;k=1,2,…,N为选线频带序列点编号,N为总点数;WTPi(k)为第i条线路小波包分解后第k点瞬时功率;kmax为幅值最大瞬时功率对应点位置。故障选线逻辑按如下步骤进行。1)取故障后母线零序电压与各线路零序电流第一周波数据,选择db3小波作为小波基,进行a=int(log2N)-1层小波包分解至频带宽度为100~200Hz之间,具体视采样频率而定,其中,N为每周波的采样点数。2)去掉最低频(a,0)部分,重构所有高频频带母线零序电压系数,并计算各频带母线零序电压的能量,选择能量最大的频带作为选线频带。3)重构选线频带各线路零序电流,计算零序功率。4)求各条线路(包括变压器出线端)瞬时功率的代数和作为母线瞬时功率,对母线瞬时功率求平均取绝对值,如果结果大于设定值,则母线发生接地故障;否则计算主判据。5)计算主判据。如果只有一条线路异号,则该线路即为故障线路;否则计算副判据。6)计算副判据,选择暂态瞬时功率幅值最大的线路,该线路即为故障线路。4瞬时功率仿真仿真模型为Matlab/Simulink环境下的一个11kV(母线)配电系统,如图3所示。仿真时间长度为0.1s,采样频率为4800Hz,ode15s方式。其中发电机电压为63.5kV,电阻为0.724Ω,电感为0.0192H;变压器容量为38×110MVA,变比为110/11,接法为Δ/Yn,原副边参数分别为:电压110/11kV,电阻4.08/0.0337(p.u),电感63.53/0.525(p.u);消弧线圈电阻为6.777Ω,电感为0.7197H,过补偿度为10%;5条线路的正序和零序参数均分别为:电阻0.45/0.70Ω/km,电感1.1714e-3/3.9065e-3H/km,对地电容61e-9/38e-9F/km,5条线路长度分别为18、20、10、16、6km;各负载均为0.64+j0.48MW,电压为11kV,为Y型不接地。条件1:中性点不接地,0.01875s时线路L2发生单相接地故障,接地阻抗为5kΩ高阻接地,故障距离为19km/20km长线远端(相电压过零时长线远端发生高阻接地);条件2:中性点经消弧线圈接地系统,10%过补偿,0.0268s时线路L5发生单相接地故障,接地阻抗为100Ω,故障距离为5.5km/6km;条件3:中性点经消弧线圈接地,10%过补偿,0.0075s时母线发生接地故障,接地阻抗为100Ω(为母线单相接地故障情况)。三种条件下仿真结果分别如图4、5、6所示。图中FigureA为母线消耗的瞬时零序功率,FigureB为母线电压各频段的能量,FigureC为各线路在母线零序电压能量最高频带内的重构信号,FigureD为各线路在母线零序电压能量次最高频带内的重构信号。从图4~图6中可看出,当母线没有发生故障,母线消耗的瞬时功率即所有线路瞬时功率的代数和始终为零,当母线发生故障时,母线消耗的瞬时功率明显大于较大。以母线零序电压能量最高频带为选线频带进行信号重构的选线结果能正确地选出故障线路,以母线零序电压能量次最高频带为选线频带进行信号重构也能实现正确选线,只是瞬时功率幅值稍有减小。选择能量最大的频带做为选线频带是有效的。条件4:中性点经消弧线圈接地,10%过补偿方式,0.01875s时线路L2发生单相接地故障,此时故障相电压为-0.582kV,近似过零,接地阻抗为5kΩ,故障距离为19km/20km,分别采用传统的零序稳态电流、零序低频暂态电流及本文提出的高频暂态瞬时功率为判据选择故障线路的仿真结果如图7、图8和图9所示。由图7~9可以看出,在比较恶劣的情况下,传统基于零序电流幅值方向选线判据及基于小波分析的零序电流幅值方向选线判据均失效,而本文提出的基于高频暂态瞬时功率选线判据仍然能够准确选线。5高频暂态断线判据本文在分析配电网故障特征的基础上,提出了一种基于暂态高频零序瞬时功率的配电网故障选线新判据,以幅值最大高频暂态瞬时功率的符号作为主判据,以大小作为副判据,由此选出故障线路。该判据与现有故障选线判据相比有以下优点:(1)基于瞬时量,克服了以往选线方法中因为求幅值